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摘要 论文题目：排气歧管高温低周疲劳分析与流场分析 学科专业：车辆工程 研究生：何结明 签名：伍缢剑 。 。r 。一 指导教师：崔亚辉教授签名：罐碰 摘要 排气歧管是发动机排气系统的重要组成部分，它的热力学性能和气体流动性能直接影 响发动机的动力性、经济性和排放性。排气歧管的工作条件恶劣，运行工况复杂，承受交 变热载荷以及由交变热载荷产生的循环热应力，这些交变热应力很容易使排气歧管发生疲 劳破坏，严重地影响发动机排气系统的稳定性和可靠性。因此，对排气歧管展开热疲劳分 析和流场分析，为排气歧管的设计、优化、改进提供理论支持，有一定的实际意义和工程 意义。 本文首先利用p r o e 软件建立了排气歧管模型和排气道模型，运用计算流体力学软件 f l u e n t ，采用r n gk _ 湍流模型对排气道进行流场数值模拟分析，得到了排气道各区域的 流速，换算出排气歧管内表面换热系数。 基于a n s y s 有限元分析软件对发动机启动、稳定运行、停机、一个启停循环四个工 况下的排气歧管进行了热分析，分析结果表明：排气歧管的温度分布不均匀，热流方向由 里向外传递，温度变化趋势由进气口到排气口逐渐升高，最高温度出现在两排气口交汇区 域。根据热分析得到的结果，对排气歧管进行了热结构耦合分析，得到了热应力、应变 和变形分布云图，找到了排气歧管危险区域出现在排气法兰盘左上角螺栓孔处，没有出现 在温度最高的区域，并对其原因进行了讨论；同时对排气歧管危险点一个启停循环工况作 了瞬态热应力分析，得到了热疲劳分析所需的载荷一时间历程。在热结构分析结果的基础 上，利用m a n s o n c o f f i n 公式和f e s a f e 疲劳分析软件对排气歧管进行了热疲劳寿命计 算和分析，为排气歧管的设计、优化和改进提供参考，有一定的工程意义和经济意义。 根据排气道流场数值模拟结果，对排气道进行了改进，并对改进前后分析结果进行对 比，结果表明：改进后的排气道气流紊乱、低速、回流现象消失，排气均匀顺畅，出口流 速提高了1 7 以上，提高了排气歧管的流通性，为排气道的设计提供了参考。 关键词：排气歧管，热疲劳，流场分析，排气道 本研究得到了陕谣省重点学科( 车辆工程) 建设专项资金资助项目( 1 0 2 0 0 x 9 0 4 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 西安理工大学硕士学位论文 一一 t i t l e ：h i g ht e m p e r a t u r el o wc y c l ef a t l g u ea n df l o wf i e l d a n a l y s i so fe x h a u s tm a n i f o l d m a j o r ：v e h i c l ee n g i n e e r i n g n a m e ：j i e m i n gh e s u p e r v i s o r ：p r o f y a h u ic u i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：地粤灶 s i g n a t u 怕：鱼旌垒 e x h a u s tm a n i f o l di sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n te x h a u s ts y s t e m i t st h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e sa n dt h eg a sf l o wp e r f o r m a n c ea f f e c t st h ee n g i n ep o w e r , e c o n o m ya n de m i s s i o n s d i r e c t l y t h ep o o ra n dc o m p l e xw o r k i n gc o n d i t i o n sm a k et h ee x h a u s tm a n i f o l dw i t h s t a n dh o t a n dc o l da l t e r n a t i n gh e a tl o a da n da l t e r n a t i n gc y c l eo ft h e r m a ls t r e s sg e n e r a t e db ya l t e r n a t i n g h e a tl o a d ，w h i c hi se a s yd a m a g et ot h ee x h a u s tm a n i f o l d ，s e r i o u s l ya f f e c t i n gt h ee n g i n ee x h a u s t s y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h et h e r m a lf a t i g u el i f ea n df l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nc a nb e a c h i e v e df r o mt h e r m a lf a t i g u ea n a l y s i sa n df l o wf i e l da n a l y s i s ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a l s u p p o r tt oo p t i m i z et h ee x h a u s tm a n i f o l d t h e s er e s e a r c h e s h a v ec e r t a i nt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ee x h a u s tm a n i f o l da n de x h a u s ta i r w a ym o d e li sb u i l tb yu s i n gp r o es o f t w a r e a n dt h e n t h ee x h a u s ta i r w a yf l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni so b t a i n e du n d e rr n gk - et u r b u l e n tm o d e l b yu s i n gt h ec f d s o f t w a r ef l u e n t w i t ht h ef l o wv e l o c i t y , t h ei n n e rs u r f a c e si nd i f f e r e n tr e g i o n s h e a tt r a n s f e rc o e m c i e n tc a nb ea c h i e v e d ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sf o rf u r t h e rt h e r m a l & s t r u c t r a l a n a l y s i s t h ee n g i n es t a r , s t a b l eo p e r a t i o n ，s t o pa n das t a r t s t o pc y c l ew o r k i n gc o n d i t i o n st ot h e e x h a u s tm a n i f o l di sa n a l y z e db yu s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s r e s u l t so ft h e a n a l y s i sr e v e a lt h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ee x h a u s tm a n i f o l di su n e v e na n dt h eh e a t f l o wd i r e c t i o ni sf r o mt h ei n s i d et oo u t s i d e ，t h et e m p e r a t u r et r e n di sg r a d u a l l yi n c r e a s e df r o m t h ee x h a u s tm a n i f o l di n l e tf l a n g et oe x h a u s tp o r t ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea p p e a r si nt h e i n t e r c h a n g ea r e ao ft w oe x h a u s ta i r w a y s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e r m a la n a l y s i s ，t h e e x h a u s tm a n i f o l ds t r u c t u r a lc o u p l e da n a l y s i si sm a d e ，a n dt h et h e r m a ls t r e s s ，s t r a i na n d d e f o r m a t i o no fc o n t o u r sa r ea c h i e v e d t h er e s u l ts h o wt h a tt h ed a n g e r o u sr e g i o nc a nb ef o u n d i nt h ee x h a u s tm a n i f o l dm o u n t i n gb o l th o l e st ot h eo u t l e tf l a n g el e f tc o m e r , a n dt h ed e t a i l e x p l a i n a t i o nw h yt h eh i g h e s tt h e r m a ls t r e s sd on o ta p p e a ri nt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ec a nb e s e e ni nt h i sp a p e r i no r d e rt oo b t a i nt h el o a d t i m eh i s t o r yw h i c ht h e r m a lf a t i g u ea n a l y s i s t t i a b st t a c t r e q u i r e d ，t h ee x h a u s tm a n i f o l do fas t a r t s t o pc y c l ec o n d i t i o nt r a n s i e n tt h e r m a l s t r e s sa n a l y s i si s a n a l y z e d t h et h e r m a lf a t i g u el i f eo fe x h a u s tm a n i f o l dw a sp r e d i c t e db yu s i n gm a n s o n c o f f i n e x p e r i e n c ef o r m u l aa n df e s a f ef a t i g u es o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l tf r o mt h es t r u c t u r a l a n a l y s i s t h er e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ee x h a u s tm a n i f o l dd e s i g n ，o p t i m i z a t i o na n d i m p r o v e m e n t ，a n dt h ee x h a u s tm a n i f o l dc a n b em o r eq u i c k l yo p t i m i z e da n di m p r o v e df o c u so n t h el o w e s tp a r to fl i f e ，r e d u c ee x p e r i m e n t a lc o s ta n dt i m e , h a v ec e r t a i ns i g n i f i c a n c e sa n d e c o n o m i cs i g n i f i c a n c e s t h ei m p r o v e de x h a u s ta i r w a yi sb u i l tu pa c c o r d i n gt or e s u l tf r o mc f ds i m u l a t i o no ft h e e x h a u s ta i r w a yb yu s i n gf l u e n ts o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb e f o r ea n da f t e ri m p r o v e m e n tr e v e a lt h a tt h ed i s o r d e ra n dr e f l u xf l o wd i s a p p e a r e d ，a n dt h ee x p o r t sv e l o c i t yi n c r e a s e do v e r 17 ，w h i c hc a nb et h er e f e r e n c et ot h ee x h a u s ta i r w a yd e s i g na n d o p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：e x h a u s tm a n i f o l d ；t h e r m a lf a t i g u e ；f l o wf i e l da n a l y s i s ；e x h a u s ta i r w a y t h i sr e s e a r c hw a sf i n a n c i a l l ys u p p o r t e db ys p e c i a lc o n s t r u c t i o nf u n do ft h ek e ys u b j e c t ( v e h i c l e e n g i n e e r i n g ) o fs h a a n x ip r o v i n c e ( g r a n tn o 10 2 0 0 x 9 0 4 ) i v 目录 目录 捅：要i a b s t r a c t i i i l 绪 仑1 1 1 课题研究背景和意义一1 1 2 国内外研究现状一2 1 2 1 热疲劳研究现状。2 1 2 2 排气歧管研究现状3 1 3 课题研究的内容及技术路线一4 2 热结构分析与疲劳基础理论7 2 1 传热学基本理论一7 2 1 1 温度场的概念7 2 1 2 传热的基本方式一7 2 2 热分析的理论基础8 2 3 温度场在空间域上的离散化。9 2 4 热弹性理论12 2 4 1 热弹性理论的基本方程1 2 2 4 2 热应力的求解1 4 2 5 疲劳基础理论1 6 2 5 1 疲劳的基本概念1 6 2 5 2 疲劳的特点1 7 2 5 3 疲劳分析方法18 2 6 a n s y s 有限元分析软件介绍1 8 2 7 本章小结1 9 3 排气歧管温度场分析2 l 3 1 排气歧管计算模型建立2 1 3 1 1 排气歧管三维模型建立2 l 3 1 2p r o e 与a n s y s 的数据对接2 1 3 1 3 网格划分2 2 3 2 热分析条件2 3 3 2 1 边界条件的确定2 3 3 2 2 换热系数的确定2 4 3 2 3 材料物理性能参数2 5 3 3 温度场计算及结果分析2 5 3 3 1 启动阶段温度场计算与结果分析2 6 3 3 2 稳定运行阶段温度场计算与结果分析2 7 3 3 3 停机阶段温度场计算与结果分析2 8 3 3 4 一个启停循环温度场计算与结果分析2 9 3 4 不同换热条件对排气歧管温度场的影响2 9 3 5 本章小结3 0 4 排气歧管热应力应变场分析31 4 1a n s y s 热应力分析方法3 1 4 1 1 耦合场分析定义3 1 4 1 2 耦合场分析的类型31 4 2 有限元模型和材料属性3 3 4 3 载荷及约束边界条件3 3 4 4 热应力应变计算与结果分析3 3 西安理工大学硕士学位论文 4 4 1 启动阶段热应力应变计算与结果分析3 3 4 4 2 稳定运行阶段热应力应变计算与结果分析3 6 4 4 3 一个启停循环应力应变计算与结果分析3 7 4 4 4 不同换热系数应力应变计算3 8 4 5 本章小结4 0 5 排气歧管疲劳寿命分析一4 1 5 1 应变疲劳理论4 1 5 1 1 循环应力应变响应一4 1 5 1 2 应变与寿命关系4 2 5 2 排气歧管疲劳寿命计算4 3 5 2 1 疲劳性能参数的估计4 3 5 2 2 排气歧管寿命计算4 4 5 3 排气歧管疲劳仿真分析4 5 5 3 1f e s a f e 疲劳分析软件概述4 5 5 3 2 导入有限元模型和分析结果4 6 5 3 3 定义材料疲劳参数和载荷谱4 6 5 3 4 定义疲劳算法4 6 5 3 5 疲劳分析结果4 7 5 4 结果对比和分析4 8 5 5 本章小结4 8 6 排气歧管流场分析及其改进设计一4 9 6 1 计算流体力学( c f d ) 基础4 9 6 1 1 流体控制方程4 9 6 1 2c f d 湍流模型的选择5 0 6 1 3f l u e n t 软件介绍5 0 6 2 建立排气道三维模型51 6 3 网格划分和边界条件51 6 3 1 排气道网格划分5 2 6 3 2 边界条件5 2 6 4 排气道模拟结果及分析5 3 6 4 1 入口边为每支气道5 3 6 4 2 入口边为二支气道5 4 6 5 排气歧管的改进设计5 5 6 5 1 排气道扫描曲线的获得5 5 6 5 2 改进后排气道仿真结果5 5 6 5 3 改进前后排气道结果对比5 6 6 5 4 建立改进后排气歧管模型5 8 6 6 本章小结5 8 7 结论与展望一5 9 7 1 结论5 9 7 2 展望5 9 致谢6l 参考文献一6 2 附录6 5 2 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 随着汽车向高速化方向发展，高效、高性能发动机正在研制或使用，这些高性能的发 动机必然会排出高温的废气，发动机排气系统受到的热负荷也会显著地增加，严重地影响 发动机排气系统的稳定性和可靠性。据统计，在发动机各类零部件重大故障中，受热零部 件热疲劳破坏占1 1 。在高温条件下材料的抗弹性变形和抗塑性变形的能力也随之下降， 工程构件可能会出现高温蠕变、热疲劳等热故障。据统计，高达8 0 的工程结构的破坏 与疲劳有关，而发生失效的零部件又大多数处于高温状态下n 叫。因此，很有必要对高温 下工作的排气歧管进行热疲劳分析。 汽车的排气系统如图1 1 所示，主要由排气歧管、排气总管、催化转化器、消音器等 部分组成。排气系统的作用主要有：1 将各气缸室内燃烧过后的废气收集后排出；2 降低 废气排放时的噪声；3 利用安装在排气管中的催化转化器来减少废气中的有害物质。 图1 1 汽车排气系统组成 f i g 1 1a u t o m o t i v ee x h a u s ts y s t e mc o m p o n e n t s 排气歧管作为发动机排气系统重要的零件之一，它的热力学性能和气体流动性能直接 影响发动机的动力性、经济性和排放性。排气歧管作用是将气缸排出的废气收集后顺畅排 走。排气歧管直接与高达几百摄氏度的高温废气接触，工作环境十分恶劣，除了受到高温 热载荷作用外，还受到稳定热应力和温度波动变化所产生的非稳定热应力以及发动机一个 启停循环温度变化所产生周期变化的热应力的影响。在由温度的变化产生的热应力反复作 用下，如果强度不够，可能会产生各式各样的失效现象，如疲劳裂纹、断裂、热变形、烧 蚀等等，导致排气歧管漏气，影响发动机的正常工作，图1 2 为某车型发动机排气歧管失 效图。为了了解和分析裂纹产生的原因，排除故障，首先从排气歧管到受到的载荷入手。 排气歧管工作过程中主要受到热载荷和振动载荷作用，对于长时间工作在高温下的排气歧 西安理工大学硕士学位论文 管，首要考虑的问题就是热载荷产生的影响。如何来了解温度载荷的作用过程，以及由温 度载荷所引发的热应力应变作用下的排气歧管疲劳寿命，是非常需要展开的工作。 图1 - 2 排气歧管故障照片图 f i g 1 - 2p h o t o so f e x h a u s tm a n i f o l dt r o u b l e 获得排气歧管热疲劳寿命的方法主要有台架试验和仿真模拟计算方法，通过台架试验 得到各种工况下排气歧管的疲劳寿命分布规律和具体数值大小，成本高且费时，可行性不 大。随着计算机和仿真技术的发展，借助于有限元仿真技术对排气歧管失效进行分析是一 种有效的方法，它可以减少试验的数量，缩短产品开发周期，降低实验成本，提高市场竞 争力。因此，本文基于a n s y s f e s a f e 软件和f l u e n t 软件对排气歧管进行了热疲劳 分析和流场分析。有限元疲劳仿真能够提供排气歧管的疲劳寿命分布，可以判断排气歧管 的疲劳寿命薄弱位置，能够更快地将优化和改进的重点放在寿命最低的部位，减少实验费 用和时间，有一定的工程意义和经济意义；排气道流场分析能够提供排气道的速度分布， 可以直观看到影响气流顺畅流动的部位，为排气歧管结构优化改进提供依据。因此，本文 所做的两方面的工作对于指导排气歧管的设计和优化有一定的工程意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 热疲劳研究现状 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自从w i j h l e r 将疲劳研究纳入科学研究范畴到 现在，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好 的解决n 1 。最初研究金属疲劳的是德国矿业工程师w a j a b e r t 在1 9 2 9 年前后完成的，他 利用矿山升降机链条进行反复加载试验，以验证其可靠性。1 8 4 3 年，英国铁路工程师 w j m r a n k i n e 对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险 性。在1 8 5 2 年到1 8 6 9 年间，w i ；h l e r 对疲劳破坏进行了系统的研究，他发现由钢制作的 车轴在循环作用下其强度大大低于它们的静强度，提出了s - n 曲线来描述疲劳行为的方 法，并且提出了疲劳耐久性概念。国外对于热疲劳的研究已经有相当长的历史了，可以追 溯到1 8 3 8 年d u h a m e l 的研究工作，当时他发表了热应力的计算公式，但是直到1 8 9 4 年 2 第一章绪论 s c h o t t 和w i n k e l m a n 才将断裂和热应力联系在柳起。最早提出金属材料热疲劳性能测试方 法是l e c o r t f i n 钉，并与s s m a n s o n 提出了应变幅与疲劳寿命之间的经验关系，即m a n s o n - c o n f i n 公式，随后形成了局部应力应变法，这就使得热疲劳研究从定性分析跨入了定量 分析阶段。美国试验与材料协会( a s t m ) 在1 9 6 8 年版物s t p 上发表了第一篇关于热疲劳 的论文；在随后的几年中美国试验与材料协会s t p 版物上有关于试件热疲劳试验及工程 结构的热疲劳和机械疲劳的描述的相关文献；a s t m 于1 9 7 5 年召开了第一次热机械疲劳 和热疲劳联合会议“ 7 1 。从1 9 8 4 年6 月开始，美国宇航局( n a s a ) 有计划地进行在多轴应 力状态下高温合金材料的热疲劳和热机械疲劳研究，研究总结了应力范围、应变范围、温 度范围、应力比等对其热机械疲劳性能的影响n 钉。自上世纪8 0 年代以来，随着计算机 仿真技术的发展和试验设备的完善，使得热疲劳试验研究和仿真工作在国际上得到了普遍 展开，研究工作除了针对热疲劳损伤机理和热疲劳特性以外，也开始注重于对热疲劳的寿 命计算研究和探索。美国试验与材料协会从1 9 9 1 年开始每隔3 年举行一次“材料的热机 械疲劳行为学术研讨会议，并把相关的论文发表在其s t p 特别出版物上。1 9 9 6 年2 月， 在c o c o ab e a c h 召开了材料的热机械疲劳性能学术会议，使得热疲劳与热机械疲劳研究的 领域进一步拓宽“1 。目前，国外对热疲劳的研究方向从定性向定量方向纵深发展。但由于 热疲劳本身的复杂性，对疲劳的失效和破坏机理的研究工作还在探索阶段，到目前为止， 还没有一种成熟的理论能解释热疲劳破坏机理。 我国对于热疲劳的研究工作起步相对较晚，研究的科研院所和高校也比较少，研究的 单位主要有沈阳金属研究所、西北工业大学、清华大学和北京科技大学等。虽然国内对热 疲劳研究工作开展起步较晚，国内学者在热疲劳和热疲劳寿命预测相关的前沿领域也做了 一定的工作：如热作模具钢b 1 、寿命预测阳 1 2 1 等等。2 0 0 7 年1 0 月，由中国金属学会主办， 清华大学承办了第九届全国热疲劳学术会议，会议主题是热疲劳及其损伤机理。会议讨论 和交流了来自全国多个高校和科研院所的多篇热疲劳和热机械疲劳学术论文，并将其中 1 4 篇论文发表在失效分析与预防刊物上。自上世纪8 0 年代至今，我国热疲劳学术会 议已举办了九届，但研究的深度和广度与国外还有不小的差距。 1 2 2 排气歧管研究现状 排气歧管是安装在气缸盖与排气总管之间连接装置，用于收集各缸排出的高温废气。 排气歧管在高温、振动等条件下工作，工作的过程中可能发生开裂、断裂等现象。排气歧 管的开裂会发生漏气现象，排气管歧漏气不仅会导致发动机功率下降，而且还有可能引起 汽车排气系统无法工作，最终导致汽车发动车无法正常工作。因此，搞清楚排气歧管开裂、 断裂原因的研究显得非常重要。在排气歧管的热、振动等破坏和排气歧管的优化设计方面， 国内外有学者进行了相关的研究和探索。国内学者主要运用有限元技术对排气歧管断裂故 障进行了分析和研究。其中，李红庆、杨万里等运用流固耦合的方法研究了某型内燃机排 气歧管热应力，计算结果表明，热应力最大部位出现在排气歧管裂纹发生断裂的部位，并 3 西安理工大学硕士学位论文 根据计算分析的结果提出了改进措施，经试验验证对排气歧管的改进是可行有效的 1 3 1 。 李伟、张义和等研究了在我国高原地区行驶的某发动机排气歧管经常出现开裂问题，通过 对排气歧管的金相测试，认为发动机工作在海拔高、坏路多、气候炎热超负荷条件下，导 致排气歧管发生热疲劳破坏，并从材料和结构两个方面提出改进的意见 1 4 1 0 刘志勇，夏 毅敏等应用f i r e 和a b a q u s 软件相结合的方法对排气歧管出现的开裂问题进行了热应 力分析和振动分析，分析结果表明，排气歧管的断裂是由共振引起的，而不是由温度的变 化产生的热应力引起的，并提出了更改的建议1 1 5 。王立新，刘斐等对排气歧管进行耐久 性试验时发生了断裂故障进行分析，通过高温下的振动分析和热应力分析，认为排气歧管 的断裂故障是由温度过高和结构的应力集中引起的，并提出新的设计方案 1 6 1 0 杨明慧对 某型排气歧管的断裂现象进行了分析，认为该排气歧管的断裂是由共振引起的断裂，并运 用有限元分析软件进行模态分析和谐响应分析，对改进的结果进行了验证 1 7 1 。 国外学者主要在排气歧管的热疲劳断裂方面进行了研究，如s e i f e r t 、t h o m a s , r i e d e l 等运用循环可塑性和微裂纹计算方法，结合有限元方法和试验提出了排气歧管在热载荷作 用下的疲劳寿命预测方法。日本学者w a t a n a b e 、y o s h i m a s a 、s h i r a t a n i 等对不锈钢排气歧 管破裂的原因进行了预测，并以拉伸压缩试验获得的应力应变曲线来保证预测的准确性， 研究表明该排气歧管的破裂是由于发生在高温下的热疲劳引起的 1 8 1 9 1 。 排气是否高效顺畅也是衡量排气歧管好坏的重要指标之一，同样也有不少学者对排气 管道的设计和优化进行了研究。其中，李湘华等应用流体动力学分析软件对排气歧管进行 了的流场数值模拟，并根据流场分析的结果对排气歧管进行优化，改进后的排气管漩涡消 失，各缸流量均匀性提高，气流噪声较小。曾春荣等采用c f d 软件对某内燃机排气管道 进行三维流场分析，结果表明排气管道结构形状对气流流动有比较大的影响。钱多德等利 用s t a r - c d 软件对某小型汽油机排气歧管管道进行了模拟分析，认为排气歧管出口处气 流分布的均匀与否会对排气系统的后处理装置的利用效率造成影响，进而影响后处理的效 田 2 0 2 2 1 爿o 从现有的文献资料来看，国内外学者对由热载荷和振动载荷引起的排气歧管断裂都有 研究，但是现有排气歧管热分析的研究多数从稳态方面考虑，没有考虑排气歧管的瞬态工 况。发动机在工作过程中经历启动、稳定运行、停机各阶段，对排气歧管传热过程是一个 瞬态传热的过程，排气歧管温度载荷的变化是否对疲劳寿命起作用，由于缺少瞬态传热过 程的热应力应变分析，这些问题并不清楚。因此在研究排气歧管热疲劳问题时，瞬态传热 过程中的热应力也应该进行分析。本文以某车型排气歧管为研究对象，通过流场数值模拟 获得不同区域的换热系数，对排气歧管进行瞬态和稳态热分析和结构分析，获得排气歧管 的危险点载荷谱，运用疲劳分析软件进行疲劳分析和寿命预测，同时根据流场分析结果对 排气歧管进行改进设计。 1 3 课题研究的内容及技术路线 4 第一章绪论 发动机排气歧管工作过程中主要受到两种载荷的作用，即热载荷和振动载荷。本文从 热载荷方面对排气歧管进行研究，利用热弹塑性力学和流体力学的有关知识，对某车型的 发动机排气歧管进行了建模及仿真分析，并进行了改进设计。本文主要的研究内容有如下 几点： ( 1 ) 应用p r o e 软件建立排气歧管及其排气道三维实体模型。 ( 2 ) 利用有限元分析软件a n s y s 对排气歧管进行了启动阶段、稳定运行阶段、停机阶 段和一个启停循环四个工况下的温度场分析，考虑到排气歧管内表面换热系数不 同，由流场分析得到管内各区域流速，换算出换热系数，同时讨论了不同换热条件 对排气歧管温度场的影响。 ( 3 ) 在排气歧管热分析的基础上，应用a n s y s 软件对排气歧管进行热应力、应变分析， 找到了排气歧管的危险区域，获得了危险点的热应力应变值，为后续的热疲劳寿命 分析作铺垫。 ( 4 ) 利用疲劳分析软件f e s a f e 对排气歧管进行疲劳寿命计算，并结合a n s y s 软件 对f e s a e 计算结果进行后处理，将f e s a f e 软件计算的结果与m a n s o n c o f f i n 经验公式计算结果进行了比较。 ( 5 ) 应用f l u e n t 软件对排气歧管的排气道进行流场数值模拟，根据流场分析的结果 对排气歧管进行了改进设计。 本文采用的技术路线如图1 3 所示： 图1 - 3 技术路线 f i g 1 - 3t e c h n o l o g yr o a d m a p 5 西安理工大学硕士学位论文 6 由于排气歧管工作条件复杂，对排气歧管的开裂、断裂原因研究尚未取得统一的结论， 国内目前的研究基本处于定性分析阶段，由于试验条件、资金等方面的原因，进行排气歧 管疲劳破坏实验的研究可行性不大，因此采用软件仿真的方法对排气歧管的研究很有必 要。 第二章热结构分析与疲劳基础理论 2 热结构分析与疲劳基础理论 2 1 传热学基本理论 2 1 1 温度场的概念 只要有温差，热量就会从物体的高温的部分传递给低温的部分，或者从高温的物体传 向低温的物体。由于自然界和工程实践中几乎到处存在着温差，所以热量传递就成为自然 界和生产技术中一种非常普遍的现象1 2 3 1 。 温度场指的是各个时刻物体系统内各点温度分布的集合，它是空间三维坐标和时间的 函数。随时间变化而变化的温度场称为瞬态温度场，在此温度场下的传热称为瞬态传热， 可以表示为： t = f ( x ，y ，z ，r )( 2 1 ) 式中：丁为温度：x 、y 、z 为空间笛卡尔坐标；r 为时间坐标。 温度不随时间而改变的温度场称之为稳态温度场，即t = f ( x ，y ，z ) ，在此温度场下的 传热称为稳态传热。 2 1 2 传热的基本方式“4 2 钉 热量的传递是由于系统内或物体内的两部分之间的温度差而引起的，热流方向总是由 高温部位流向低温部位。根据传热机理的不同，可以把热传递分为三类，即：热传导、热 对流和热辐射。 1 热传导 热传导，又称导热，是指物体内部各部分无相对位移，仅靠物体的原子、分子、自由 电子等微观粒子热运动而使热量从高温部分向低温部分传递的现象。若物体上的两个部分 有温度差存在，大量物质的原子、分子、自由电子互相撞击，而使能量从物体的高温的 部分传递到低温的部分，直到物体的各部分的温度相等为止。热传导在气体、液体、固 体均可发生，其中固体中的热量传递是典型的热传导。在气体中，热传导是由于气体分子 无规则运动引起的；在固体中，由于大量原子不停地做无规则热运动，固体的热传递就是 能量的迁移；在液体中，热传导是由个别分子的动量传递所产生的。在直角坐标系下，热 传导遵循傅立叶定律。 2 热对流 热对流是指固体的表面与它周围接触的运动流体之间，由于温差的原因而引起热量的 交换。表面换热系数越大，热对流速度越快。就引起对流原因而言，对流换热可以分为 自然对流和强制对流两大类。自然对流是由于流体各部分冷热不同而引起的，比如：冬天 暖气片向周围空间放热就是一个自然对流的例子；由于有压差的存在而使流体强迫对流， 称为强制对流，如风机、水泵作用产生的对流。对流换热的基本计算方程可以用牛顿冷却 方程表示： 7 西安理工大学硕士学位论文 q = 办( r s 一五) ( 2 2 ) 式中：g 为传递的热量：h 对流换热系数( 表面传热系数) ；r s 为固体表面的温度；疋 为周围流体的温度。 3 热辐射 物体以电磁波传播或发射能量的现象，称为热辐射。物体只要温度高于零度就会产生 热辐射，温度越高，辐射出去的能量就越大，一般物体的热辐射是由可见光等波长较长的 波传播。热辐射是以电磁波形式向外传播热量，无需任何介质。 发动机排气歧管的传热过程是一个复杂的过程，高温的废气由排气门排出后进入排气 歧管与其内表面形成强制对流换热，换热的强度取决于废气的温度和废气的流速，高温的 废气向排气管内表面换热，同时还伴随有温度辐射；由于排气歧管内表面直接与高温废气 接触，与外